鋰電池具有高存儲(chǔ)能量、壽命長(zhǎng)、重量輕和無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在現(xiàn)行便攜式設(shè)備中得到了廣泛的使用，尤其是在手機(jī)、多媒體播放器、GPS終端等消費(fèi)類電子設(shè)備中。這些設(shè)備不但單純地只是支持單一的通訊功能，還支持流媒體播放和高速的無線發(fā)送和接收等等功能。隨著越來越多功能的加入且要獲得更長(zhǎng)單次充電的使用時(shí)間，便攜式設(shè)備中鋰電池的容量也不斷地增大，以智能手機(jī)為例，主流的電池容量已經(jīng)800mAH增長(zhǎng)到現(xiàn)在1500mAH，并且還有繼續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

 

隨著大容量電池的使用，如果設(shè)備能夠精確的了解電池的電量，不僅能夠很好地保護(hù)了電池，防止其過放電，同時(shí)也能夠讓用戶精確地知道剩余電量來估算所能使用的時(shí)間，及時(shí)地保存重要數(shù)據(jù)。因此，在PMP和GPS中，電量計(jì)不斷加入到設(shè)備中，并且電量計(jì)也在智能手機(jī)中得到了應(yīng)用，尤其是在一些Windows Mobile操作系統(tǒng)的智能手機(jī)中，如圖1所示，電池電量的顯示已由原來的柱狀圖變?yōu)榱藬?shù)字顯示。

 

本文介紹和比較三種種不同電量計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法，并且以意法半導(dǎo)體的STC3100電池監(jiān)控IC為例，在其Demo實(shí)現(xiàn)了1%精度的電池精度計(jì)量。

圖1 Windows Mobile 手機(jī)中電量計(jì)量

 

1，電量計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法和分類。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)行設(shè)備中有三種電量計(jì)，分別是：

 

直接電池電壓監(jiān)控方法，也就是說，電池電量的估計(jì)是通過簡(jiǎn)單地監(jiān)控電池的電壓得來的，盡管該方法精度較低和缺乏對(duì)電池的有效保護(hù)，但其簡(jiǎn)單易行，所以在現(xiàn)行的設(shè)備中得到最廣泛的應(yīng)用。然而鋰電池本身特有的放電特性，如圖2所示。不難從中發(fā)現(xiàn)，電池的電量與其電壓不是一個(gè)線性的關(guān)系，這種非線性導(dǎo)致電壓直接檢測(cè)方法的不準(zhǔn)確性，電量測(cè)量精度超過20%。電池電量只能用分段式顯示，，如圖1.a所示，無法用數(shù)字顯示精確的電池電量。手機(jī)用戶經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，在手機(jī)顯示還有兩格電的時(shí)候，電池的電量下降得非?？?，也就是因?yàn)檫@時(shí)候電池已經(jīng)進(jìn)入Phase3。

 

圖2 鋰電池放電曲線

 

電池建模方法，根據(jù)鋰電池的放電曲線，建立一個(gè)數(shù)據(jù)表，每測(cè)量一個(gè)電壓值，根據(jù)該電壓去表中查出所對(duì)應(yīng)的電量。該方法有效地提高電量的測(cè)量精度，可以達(dá)到5%，且簡(jiǎn)單易用，無需做電池的初次預(yù)估，但是該數(shù)據(jù)表的建立是一個(gè)復(fù)雜的過程，尤其是考慮到電池的溫度、自放電、老化等因素的影響，并且對(duì)不同容量或類型的電池的兼容性也是一個(gè)問題。該表需要結(jié)合溫度和電池壽命等因素進(jìn)行修正，才能得到較高的測(cè)量精度。

庫侖計(jì)，如圖3所示，在電池的正極或者負(fù)極串入一個(gè)電流檢測(cè)電阻，一旦有電流流入或者流出電池時(shí)，就會(huì)在電阻的兩端產(chǎn)生電壓Vsense，通過檢測(cè)Vsense就可以計(jì)算出流過電池的電流。該電流與時(shí)間做積分就是變化的電量，因此其可以精確跟蹤電池的電量變化，精度可達(dá)1%。盡管庫侖計(jì)存在電池初次預(yù)估的問題，且電流電阻的精度直接影響了電量的精度。但是配合電池電壓和溫度的監(jiān)控，一些軟件算法可以較好地減小鋰初次電量預(yù)估、電池老化、電流檢測(cè)電阻精度等等因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。該方法在現(xiàn)行的設(shè)備和電池組中得到最為廣泛的應(yīng)用，下文以意法半導(dǎo)體帶庫侖計(jì)的電池監(jiān)控芯片 STC3100為例，詳細(xì)介紹該方法實(shí)現(xiàn)高精度的電量計(jì)量。

圖3 電池充放電示意

 

電量計(jì)按其位置來分，可以分為兩種：電池側(cè)電量計(jì)和系統(tǒng)側(cè)電量計(jì)。電池側(cè)電量計(jì)解釋電量計(jì)量芯片直接設(shè)計(jì)在電池組中，電量計(jì)芯片永遠(yuǎn)檢測(cè)一個(gè)電池，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)電池的充放電、自放電和自身老化等等，即使電池未被使用時(shí)，這些電池參數(shù)在實(shí)時(shí)地檢測(cè)。該種電量比較精確，但是成本較高，電池接口復(fù)雜，系統(tǒng)對(duì)電池的兼容性較差。

 

而系統(tǒng)側(cè)電量計(jì)是指電量計(jì)設(shè)計(jì)在系統(tǒng)側(cè)而不是在電池組里，這樣可以避免電池組的重新設(shè)計(jì)，減小的電池的管腳，系統(tǒng)可以兼容更多的電池。并且便攜式設(shè)備要求電池體積越來越小，而容量越來越大，在系統(tǒng)側(cè)實(shí)現(xiàn)電量計(jì)比在電池中實(shí)現(xiàn)更為簡(jiǎn)單便捷。但是，系統(tǒng)側(cè)的電量計(jì)需要更為復(fù)雜的軟件算法，解決電池的初次預(yù)估的問題、兼容不同特性電池的問題等等。

 

2，STC3100介紹和設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

 

STC3100是意法半導(dǎo)體帶庫侖計(jì)的電池監(jiān)控芯片，它能夠監(jiān)控電池的電壓、溫度、和電流，集成一個(gè)可編程的12～14位的ADC，硬件積分器用于庫侖計(jì)功能的計(jì)算，所測(cè)電流最大可達(dá)2.5A，積分器可以用7000mAh的電池，分辨率可達(dá)0.2mAh. 其內(nèi)部框圖如圖4所示。

 

圖4 STC3100內(nèi)部框圖

 

STC3100帶有一個(gè)I2C接口與處理器端進(jìn)行通訊，并且集成了32bytes的RAM，用于存儲(chǔ)電池的電量或其他特性信息。GPIO管腳可以用來作為電池低壓報(bào)警使用，其應(yīng)用框圖如圖5所示。

圖5 STC3100電量計(jì)量框圖

 

STC3100中的庫侖計(jì)需要一個(gè)32.768kHz的時(shí)鐘，用于作為計(jì)算電量的時(shí)基，其精度直接影響電量的計(jì)算精度。 STC3100支持內(nèi)部和外部的時(shí)鐘，外部時(shí)鐘優(yōu)先的原則，并且能夠自動(dòng)檢測(cè)是否存在外部時(shí)鐘源，也可以通過設(shè)置寄存器設(shè)置成強(qiáng)制使用外部時(shí)鐘源。如圖6所示，如果用內(nèi)部時(shí)鐘，一個(gè)200kohm 0.1%的電阻連接與Rosc管腳和地之間，內(nèi)部時(shí)鐘精度在其供電電壓和工作溫度范圍內(nèi)為2.5%。為得到更高的精度，只能采用外部輸入高精度時(shí)鐘源的方式。 

 

圖6 STC3100的兩種時(shí)鐘源

 

電流采樣電阻Rcg是用采集流入或流出電池的電流，由于ADC采樣的限制，該電阻的壓降不能超過+/-80mV，所以，該阻值由應(yīng)用中最大的峰值電流決定，如式一。如果峰值電流為2A，那么該阻值可以選擇33mohm。

                                       （1）

 

電流電阻上的電壓經(jīng)ADC采樣后放置于REG_CURRET（06H和07H）寄存器中，而ADC的LSB是11.7uV，這樣就可以按式二計(jì)算實(shí)際流過的電流值：

           （2）

同時(shí)，STC3100會(huì)把Rcg兩端的電壓值與采樣周期相乘后放入28位的累加器中，其中的高16位會(huì)放入REG_CHARGE（02h和03h）寄存器中,其實(shí)際的電量可以按式三計(jì)算。

                                                                                                              （3）

 

 

STC3100自身的供電管腳Vcc和電池電壓檢測(cè)管腳Vin是分開的，如圖7所示，這樣很容易可以在電壓檢測(cè)管腳加入R2（1kohm）和C2(47nF~220nF)組成的ESD 保護(hù)和濾波電路，而電阻R1（150ohm）和齊納二極管D1(5.6V)組成對(duì)Vcc的ESD保護(hù)電路，從而不會(huì)影響對(duì)電池電壓的檢測(cè)精度。電池電壓和溫度經(jīng)ADC采樣后分別放于REG_VOLTAGE 和REG_TEMPERATURE寄存器中，按照式三和式四可以分別計(jì)算出電池的實(shí)際電壓和溫度值。

 

           （4）

    （5）

 

圖7 STC3100的電源管腳和電池電壓監(jiān)控管腳

 

3，軟件設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

STC3100寄存器中可以直接讀出電量的變化值、電池電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)，系統(tǒng)處理器需要在上電時(shí)，配置STC3100的寄存器，啟動(dòng)其電量計(jì)數(shù)功能，如果是第一次上電，需要通過檢測(cè)的電池電壓進(jìn)行電池容量的初次預(yù)估。完成初次預(yù)估后就可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的電池電量的實(shí)時(shí)計(jì)算，軟件的流程如圖所8示。

 

圖8 軟件流程框圖

 

電池的容量會(huì)隨溫度、充放電次數(shù)和使用時(shí)間的長(zhǎng)短變化而變化，因此，為得到精確的電池電量，僅僅獲得電池電壓、電流是不夠的，還要考慮溫度、電池老化、電流檢測(cè)電阻精度等因素造成的累計(jì)誤差，因此，建議在使用中定期一次電池的完全的充放電過程，進(jìn)行消除累計(jì)誤差，不斷保持電量的精度。上述軟件在STC3100的demo板（STEVAL-ISB0011V1）進(jìn)行了驗(yàn)證，如圖9所示。該Demo板使用STM32進(jìn)行軟件處理，其上電池的充電芯片是具有800mA充電能力的STC4054，16*2矩陣的液晶LCD可是實(shí)時(shí)顯示電池的容量、電壓、電流和溫度等參數(shù)，同時(shí)支持通過USB接口和PC通訊的功能，能夠把電池的信息上傳給上位機(jī)。

 

圖9 STC3100 Demo板

 

該實(shí)驗(yàn)采用1800mAh的電池，型號(hào)是（），實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)如圖10所示，其中包括了電池電壓、溫度、電流、剩余電量、電池容量和STC3100芯片的ID號(hào)。并且我們分別對(duì)STC3100施加外部和內(nèi)部的32K時(shí)鐘，測(cè)試結(jié)果證明，采用外部時(shí)鐘測(cè)量結(jié)果更為準(zhǔn)確。

圖10 電池監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)

 

 

結(jié)論

現(xiàn)在便攜式設(shè)備集成越來越多的功能，精確的電量計(jì)可以用于提示用戶剩余的使用時(shí)間，甚至可以在電池低電量時(shí)，可以提示用戶關(guān)閉耗電較大的設(shè)備，這樣可以給用戶以更好的使用體驗(yàn)。意法半導(dǎo)體的STC3100是用在系統(tǒng)側(cè)的電池電量監(jiān)控芯片，可以精確地監(jiān)控電池電壓、電流、溫度，并且實(shí)時(shí)輸出電池電量，減輕了系統(tǒng)的工作量，并且它本身具有較小的功耗，比較適合便攜式設(shè)備的應(yīng)用。